W18Cr4V挤压杆热处理工艺设计1.docx
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W18Cr4V挤压杆热处理工艺设计1
热处理工艺
课程设计说明书
课程名称：
金属热处理工艺学
设计题目：
W18Cr4V挤压杆热处理工艺的设计
院系：
机械工程学院
班级：
材料成型及控制工程0801
学号：
081104126
学生姓名：
吴欣桐
指导教师：
黄新
热处理工艺课程设计任务书
设计题目
W18Cr4V挤压杆热处理工艺的设计
学生姓名
吴欣桐
院系专业
机械工程学院材料0801
设计要求：
1.相变点的确定
2.热处理工艺参数的制定
3.热处理设备的选择
4.组织特点和性能的分析
5.夹具的设计或选用
6.工艺卡片填写
学生应完成的工作：
进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。
根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。
最后，写出设计说明书，说明书中要求对各种热处理工序的工艺参数的选择依据和各种热处理后的显微组织作出说明。
推荐参考文献阅读：
1《热处理工程师手册》，樊东黎主编，机械工业出版社；
2《热处理技师手册》，张玉庭主编，机械工业出版社；
3《热处理手册（共4卷）》，中国机械工程学会热处理学会，机械工业出版社；
4《热处理实用数据速查手册》，叶卫平主编，机械工业出版社；
5《金属热处理工艺学》，夏立芳，哈尔滨工业大学出版社；
6《热处理常见缺陷分析与对策》，王忠诚主编，化学工业出版社；等。
任务下达日期：
2011年1月9日
任务完成日期：
2011年1月15日
答辩日期：
指导教师：
黄新
学生签名：
目录
1热处理工艺课程设计的目的--------------------4
2零件的技术要求及选材------------------------4
2.1技术要求-------------------------------4
2.2材料的选择-----------------------------5
2.3化学成分及合金元素的作用---------------5
3热处理工艺课程设计的内容及步骤-------------7
3.1相变点的确定---------------------------7
3.2热处理工艺-----------------------------8
3.2.1工艺流程-------------------8
3.2.2热处理工艺参数的制定-------------9
3.2.3所选热处理工艺的目的-------------11
3.2.4热处理工艺卡片填写---------------13
3.2.5操作过程中的注意事项-------------13
3.3热处理设备的选择-----------------------14
3.4夹具的设计或选用以及零件的摆布---------16
3.5组织特点和性能的分析-------------------17
4收获和体会---------------------------------25
5参考文献-----------------------------------26
6附表1热处理工艺卡-------------------------27
§1热处理工艺课程设计的目的
热处理工艺课程设计是高等学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。
其目的是：
（1）培养学生综合运用所学热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。
（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和夹具设计等。
（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、零件绘图和学习使用设计资料、手册、标准和规范。
因此，本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。
要求我们设计工艺流程，这需要翻查大量的文献典籍。
如何灵活使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手册的查找规范和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。
材料热处理工艺课程设计是培养材料专业学生在热处理原理方面能力的重要环节，纸上谈兵是经不起考验的，扎实的理论唯有通过实践才能够证明，且科学的实践能够有效巩固甚至发展原有的理论，因此，本课程设计通过给出20余种不同牌号的材料，要求学生以个人（允许讨论）或组队的方式完成热处理工艺的设计，对学生巩固已学热处理知识、学习使用工具书、增强团队合作意识等是大有裨益的。
§2零件的技术要求及选材
2.1技术要求
冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。
冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。
显然，冷挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。
冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产中。
与热锻、温锻工艺相比，可以节材30%～50%，节能40%～80%而且能够提高锻件质量，改善作业环境。
目前，冷挤压技术已在紧固件、机械、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、军工等工业部门中得到较为广泛的应用，已成为金属塑性体积成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。
2.2材料的选择
本课程设计所要求的挤压杆为重载冷挤压模的凸模，挤压模主要用于材料体成形，工作应力大，钢件承受的挤压力为：
2000～2500MPa。
材料在型腔中剧烈变形同时产生热量，模具在反复的应力和温度约300℃环境中工作。
挤压杆是冷作模具的凸模部分，工作时主要承受着拉压、冲击、疲劳、摩擦等多种机械力的作用，使模具发生脆断、堆塌、磨损、咬合、啃伤、软化等现象而失效。
因此，挤压杆作为冷作模具应具备高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳、不咬合等能力。
因此凸模选用高速钢W18Cr4V，工作硬度可达62HRC以上。
在W18Cr4V钢中碳化物分布的均匀性较差，并易产生粗大角状碳化物颗粒，钢的韧性和塑形也较差。
该钢不适宜用来生产大断面钢材，也不宜进行冷轧或冷拔加工，因为粗大角状碳化物易在冷加工过程中使钢开裂产生微裂纹，从而使钢的性能变差。
W18Cr4V钢可用于制造各种切削工具，例如车刀、刨刀、铣刀、铰刀、拉刀、滚刀、插齿刀、锯条、丝锥、板牙和钻头等，不适宜制造大截面和热塑性成形刀具。
此外，W18Cr4V钢还用于制造高温轴承、模具和耐磨机零件等。
2.3化学成分及合金元素的作用
W18Cr4V为常用的钨系高速钢的一种，属于莱氏体钢，是高速钢应用最长久的一种。
和其它高速钢一样，常被称为“白钢”、“锋钢”或“风钢”（空冷即可淬火）。
W18Cr4V钢化学成分（%）
钢号
C
Si
Mn
Cr
W18Cr4V
0.70~0.80
0.20~0.40
0.10~0.40
3.80~4.40
Mo
W
V
P,S
≤0.30
17.50~19.00
1.00~1.40
≤0.030
W18Cr4V钢的热导率
温度/℃
20
200
500
700
900
λ/W·m-1·K-1
27.21
25.96
25.96
25.12
25.12
W18Cr4V钢的热导率比碳含量相同的铸钢低温时热导率小很多，高温时略小。
W18Cr4V所含元素的作用：
碳主要与铬、钨、钼和钒（碳化物的形成元素）等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及红硬性。
钨是提高红硬性的主要元素，它在钢中形成碳化物。
加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其他合金元素、有很高回火稳定性的马氏体。
在回火时，一部分钨以碳化物的形式弥散析出，造成二次硬化。
在加热时，未溶的碳化物则起到阻止奥氏体晶粒长大的作用。
铬铬的碳化物（Cr23C6）在淬火加热时几乎全部溶于奥氏体，从而提高过冷奥氏体的稳定性和钢的淬透性，同时还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。
钒能显著地提高高速钢的红硬性、硬度及耐磨性。
钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，造成二次硬化而提高钢的红硬性。
钴也能显著提高钢的红硬性及硬度。
§3热处理工艺课程设计的内容及步骤
3.1相变点的确定
Fe-18%W-4%Cr-C系的变温截面图
高速钢属于高合金莱氏体钢，其相图较复杂。
由上示Fe-18%W-4%Cr-C系的变温截面图，并查找资料，可确定W18Cr4V的相变点：
项目
Ac1
Ac3
Ar1
Ms
温度/℃
820
860
760
210
3.2热处理工艺
3.2.1工艺流程
用W18Cr4V制作挤压杆的工艺流程为：
淬火及回火示意图：
W18Cr4V制作挤压杆的最终热处理采用分级淬火+三次回火的工艺，在淬火加热过程中采用二次预热，温度分别为550℃和820℃，奥氏体化温度定为1260℃；在淬火冷却过程中采用二级分淬，温度分别取600℃和230℃。
最后采用560℃三次回火的工艺，每次回火时间为1h。
高速钢淬火温度的选择依据：
⑴奥氏体晶粒度控制在9～11级；⑵细小碳化物尽可能多的溶解。
一般不选择过热温度淬火，因为它会使钢的韧性急剧下降。
球化退火为往复球化退火，去应力退火是为了去除由于粗加工所引起的及铸件内存在的残余应力（但不引起组织的变化）而进行的退火，由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同，以及去除程度的不同，去应力退火的加热温度范围很宽，应根据具体情况决定，例如：
对于W18Cr4V高速钢制作的模具，在粗加工及半精加工之间，淬火之前，常进行600～700℃、2-4h的去应力退火。
去应力退火后，均应缓慢冷却，以免产生新的应力。
球化退火、去应力退火、回火等工艺过程中均需使用煤油作为保护气，以防止工件被氧化。
3.2.2热处理工艺参数的制定
根据时间计算公式τ=a×K×D【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料，将工艺参数制表如下：
热处理工艺参数表
工艺
温度/℃
时间/s
a
K
D
加热
加热+保温
球化退火
加热
860
3h
保温
740
去应力退火
650
4h
烘干预热
550
0.4
1.3
25
780
1560
二级预热
820
0.35
1.3
25
682.5
1365
奥氏体化
1260
0.18
1.3
25
351
351
一级预冷
600
0.4
1.3
25
780
780
二级预冷
230
600
空冷
20
空冷至20℃
三次回火
560
每次1h
注：
球化退火，去应力退火，一级预热，二级预热、奥氏体化加热和回火均采用到炉加热，加热时先在炉口预热，后放入炉中加热。
一级预冷和二级预冷采用到炉冷却。
各参数确定如下：
1）装炉修正系数K的确定：
在W18Cr4V挤压杆热处理时在吊篮中间隔为50mm，
所以装炉修正系数K取1.3。
2）由钢种决定的加热系数a（min/mm）的确定：
所需数据为：
项目
一级预热
二级预热
奥实体化
一级预冷
温度/℃
550
820
1260
600
加热系数
0.4
0.35
0.18
0.4
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